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【技术】螺丝的锁紧能力分析
时间:2014-07-14 10:35:22     来源:禾盈集团
  机体外螺纹连接,螺母在外力(扭矩)作用下将工件夹紧的过程是外力使螺母的内螺纹不断挤进螺栓的外螺纹的过程。这使得螺母受压,螺栓受拉。

受力现象
  螺母在外力(扭矩)作用下将工件夹紧的状况下,普通螺纹的轴向方向并不是全旋合长度内的螺纹都受力,而是接近工件的前三扣螺纹受力大,后面的螺纹受力小甚至不受力。这是在安装过程中随时可以观察到的事实。前三扣受力现象是普通螺纹不能防松的一个重要原因。然而,经过测试三角螺纹、锯齿螺纹、管螺纹,甚至是MJ航空专用螺纹都会出现前三扣受力现象,这是由于螺纹结构和所用材料造成的。

受力探因
材料性能分析  

  假设内外螺纹连接副使用的是绝对刚性材料(材料不会产生任何变形)。螺母在紧固力矩的作用下将工件夹紧,即螺母的工作面接触到工件表面并压紧,产生紧固力与反作用力。由于内外螺纹的螺距相同,材料又是绝对刚性的,因此内外螺纹的每一扣的间距都以相同的位移在减小;所以每一扣内外螺纹都同时相互接触同时受力,螺纹连接副的轴力会均匀地分配给每一扣螺纹,这样就不会有螺纹前后受力不均匀的现象。

  螺栓连接副所使用的材料都是塑性材料,如碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢和铜合金等。从理论上说,有力的作用就会有变形;当螺栓轴力比较小的时候,也相当于这个连接副的刚度比较大,刚度大变形自然小,全旋合长度内每一扣的变形量趋近于零,则每一扣都接触都受力,这时受力是均匀的。
  随着轴力的增加,当变形量不可忽略时,前两扣螺纹受力会迅速增加,紧随其后的螺纹受力增加缓慢,在后面的螺纹受力不但不会增大,且还会减小,并最终趋近于零。这是因为在轴力的作用下,第一、二扣螺纹之间的螺距发生变化;内螺纹受压螺距减小,实际作用螺距小于正常螺距(正常螺距是螺纹加工后的实际螺距);外螺纹受拉螺距加大,实际作用螺距大于正常螺距。此时,如果第一、二扣螺纹的剪切变形不大,则第三扣螺纹受力将减小。这是由于第一、二扣螺距的增、减叠加之和,会累加到第三扣螺纹上,第三扣及以后各扣螺纹会平移,材料还具有一定刚性,并且平移离开的量,就是前两扣螺距增减叠加之和,平移的这个距离也就是第一、二扣螺纹材料发生弹性、塑性变形的累积,使得第三扣及以后各扣螺纹接触压力减小了。依此类推,如果,第一、二扣螺纹的剪切变形和弹性变形大于螺距变形的累积之和,因紧固力矩的作用,则螺母会发生相对转动,相当于外螺纹平移,以后各扣内外螺纹相互靠近,则第三扣螺纹受力加大。如果前两扣螺纹,没有发生剪切变形,从第三扣起,以后各扣螺纹受力逐渐减少。

螺纹螺距分析

  螺栓连接副的螺距相等,也是产生螺纹受力不均匀的原因之一。如果螺纹的螺距互不相等,第二扣以后的螺距减小量能够刚好抵消前一扣及前几扣螺距的变形量之和,则每一扣的受力将均匀一致。如此,螺母、螺栓的螺距应该是一个变化的数字,理论上能够避免螺纹前三扣受力的不利情况。然而,实际生产中这样的螺纹是很难进行加工的。另外,螺纹的变形量也是随着受力大小的变化而变化,不是一个定值。

螺纹牙型分析
  螺纹牙型角一致也是产生螺纹前三扣受力的原因之一。内外螺纹牙型角一致,使得内外螺纹牙根处受剪切力最大(目前螺栓连接副疲劳失效以剪切破坏为主)。如果内螺纹牙型顶角大于外螺纹牙型顶角(反之亦然),则外螺纹牙顶与内螺纹牙根相接触,内螺纹牙根受剪切力,外螺纹牙根底部和内螺纹牙顶不接触,处于空隙状态。此时,外螺纹牙顶受悬臂力,外螺纹在悬臂力作用下产生的变形较大,前三扣受力现象将得到改善。

防松能力探讨
  我国螺纹的牙型角基本是60°,但内、外螺纹牙型角的极限偏差并不一致。牙型角:在螺纹牙型上,相邻两牙侧间的夹角。实际生产中,由于内、外螺纹牙型角的极限偏差的存在,会有一部分螺母与螺栓配合时,外螺纹牙顶与内螺纹牙根相接触,使外螺纹形成悬臂受力。
  一般认为,牙型角的极限偏差再大一些会更好。较大牙型角的极限偏差的螺纹连接会形成外螺纹牙顶与内螺纹牙底相接触的形式,既形成外螺纹悬臂受力的有利于螺纹防松的紧固形式。相对普通螺纹来说,就相当于增加了弹形系数很大的弹性垫圈。在外扭矩作用下,它能够存储很大的弹性势能,能够补偿、抵消较轻微震动产生的松懈力。从螺纹防松的意义上讲,牙型角的较大极限偏差也仅仅是具备了防松的一个条件。毕竟,螺纹防松还需要内外螺纹之间保持足够强大的径向作用力。

结语
  人们常常会发现,普通螺纹受力部位前端的螺纹承受的压力大,后端的螺纹承受的压力小或者不受力,又称普通螺纹的前三扣受力。这一现象无论是教科书还是相关学术论文都很少触及。普通螺纹的前三扣受力现象是螺纹结构和材料的弹性、塑性变形造成的,本文的观点,谨供讨论或交流,不但之处请批评指正。

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